基于聚焦离子束注入的微纳加工技术研究

　　扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,简称STM)是基于隧道效应工作的原子尺度表面分析仪器。它测得的是表面费米能级附近的电子态密度,要求观测的样品表面必须是导体或半导体,其应用受到一定的限制。为了观测非导电样品,在STM的基础上,1986年德国科学家Binning等发明了原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)[1]。AFM利用原子间的相互作用力来获知样品表面的形貌,不受样品表面导电性的限制,因此AFM在表面科学、材料科学、生物、医学等方面获得了广泛的应用。本文介绍重庆大学研制的AFM IPC-208B样机。该机工作于大气状态,集STM与AFM于一体,装上微悬臂时为AFM,取下微悬臂时为STM,其独特的硬件设计使该机具有较高的实测精度和很大的扫描范围。

　　1　AFM IPC-208B的工作原理

　　AFM IPC-208B的工作原理基于泡利不相容原理,当两个原子靠近时,电子云发生重叠,原子之间产生排斥力。从而使与探针相连的微悬臂弯曲,通过STM采集微悬臂的位移,即可得到物体表面的形貌。

　　2　AFM IPC-208B设计与结构

　　AFMIPC-208B由镜体、数据采集与扫描驱动系统、计算机工作站三部分组成。

　　2·1　镜体设计

　　AFMIPC-208B的镜体结构见图1。作为AFM使用时,上压电陶瓷1只做Z向运动,用于检测微悬臂2的上下起伏;下压电陶瓷5驱动载样平台4带动样品3作x、y方向运动;步进电机带动滑块6产生又一个Z向运动,升降载样平台以进入或退出测量加工状态,也可以通过手动螺旋调节杆12升降载样平台;用步进电机使滑轨上的平台8和平台7分别在x、y向大范围运动以检测加工样品上的不同区域。三根调节杆9、10、11可手动调节水平度和使上压电陶瓷接近微悬臂,其中调节杆9也可用步进电机调整使上压电陶瓷进入隧道状态。

　　目前国内外商用AFM的镜体一般只有4个自由度(能独立运动的方向):1个用于驱动样品台,3个由压电陶瓷提供。我们的AFM镜体总共设置了13个自由度:下扫描自由度为3+3,其中3个自由度由下压电陶瓷提供,另外3个自由度用于驱动载样平台;上扫描自由度为3+1,3个自由度由上压电陶瓷提供,第4个用于升降探头;另外3个自由度用于调节微悬臂。其中探头的移动精度为10nm,样品台垂直方向与水平纵向移动精度为10nm,水平横向移动精度为50nm,其绝对坐标由精度为10nm的电感位移传感器检测;样品台的运动采用数控、数显。由于该机的工作平台具有四维机械传动与双压电陶瓷扫描,因此有效地提高了扫描精度,扩大了扫描与加工范围。其精度为:横向0·1nm,纵向0·01nm;上扫描范围:1000 nm×1000nm;下扫描范围:10μm×10μm;机械扫描与加工范围:25 mm×25mm[2]。(该镜体专利号:ZL02221502·6)。